10.8: Положення про переклад

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3724

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Експресія генів насамперед регулюється на дотранскрипційному рівні, але існує ряд механізмів регуляції трансляції. Однією добре вивченою системою тварин є залізочутливий РНК-зв'язуючий білок, який регулює експресію генів, що беруть участь у регулюванні внутрішньоклітинних рівнів іонів заліза. Два з цих генів, феритину, який безпечно секвеструє іони заліза всередині клітин, і трансферин, який транспортує залізо з крові в клітину, обидва використовують цю систему поступальної регуляції в петлі зворотного зв'язку, щоб реагувати на внутрішньоклітинну концентрацію заліза, але вони реагують в протилежні способи. Ключова взаємодія полягає між елементами реакції заліза (IRE), які є послідовностями мРНК, що утворюють структури з короткими стовбуровими петлями, та IRE-BP, білком, який розпізнає та зв'язується з ІРЕ. У випадку гена феритину послідовності IRE розташовані вище за течією початкового кодону. Коли є високий рівень заліза, IRE-BP неактивний, а структури стовбурової петлі розплавляються і переповнюються рибосомою, дозволяючи трансляції феритину, який є залізозв'язуючим білком. Коли концентрація заліза падає, ІРЕ-БР активується і зв'язується навколо структур стовбурової петлі IRE, стабілізуючи їх і запобігаючи протіканню рибосоми. Це запобігає виробленню феритину, коли заліза мало для зв'язування.

Знімок екрана 2018-12-30 в 4.41.10 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{8}\). Передтрансляційний контроль експресії генів білком залізо-відповідь (IRP), який зв'язується або з елементом залізо-відповідь (IRE), якщо він не має зв'язаного заліза.

Трансферин також використовує елементи відповіді заліза і IRE-зв'язуючі білки, але в зовсім іншому механізмі. Послідовності IRE гена трансферину розташовані нижче за течією стоп-кодону і не відіграють прямої ролі в дозволі або запобіганні трансляції.

Однак, коли є низький рівень внутрішньоклітинного заліза і існує потреба в більшій кількості трансферину для введення заліза в клітину, ІРЕ-АР активується, як і в попередньому випадку, і він зв'язується з ІРЕ для стабілізації структур стовбурової петлі. У цьому випадку; однак, це запобігає деградації хвоста 3' Poly-A, яка зазвичай відбувається з часом. Після деградації хвоста Poly-A решта мРНК незабаром після цього руйнується. Як згадувалося в розділі транскрипції, довші хвости Poly-A пов'язані з більшою стійкістю в цитоплазмі, дозволяючи більше трансляції, перш ніж вони будуть знищені. Система IRE-BP в цьому випадку зовні продовжує термін служби мРНК, коли цей генний продукт потрібен у більшій кількості.

Оскільки мРНК - це одноланцюгова нуклеїнова кислота і, таким чином, здатна зв'язувати комплементарну послідовність, не надто дивно виявити, що одним із способів, яким клітина може регулювати трансляцію, є використання іншого шматка РНК. Мікро РНК (miRNA) були виявлені як дуже короткі (~ 20 нуклеотидів) небілкові кодуючі гени в нематоді C. elegans. З моменту їх первинного відкриття (Lee et al, Cell 75: 843-54, 1993) сотні були виявлені у різних еукаріотів, включаючи людей. Схема експресії генів miRNA дуже специфічна для тканини та стадії розвитку. Прогнозується, що багато з них утворюють структури стовбурової петлі і, здається, гібридизують до 3'-неперекладених послідовностей мРНК, таким чином блокуючи ініціювання трансляції на цих молекулах мРНК. Вони також можуть працювати за допомогою механізму, подібного до розглянутої нижче SiRNA, але є чіткі докази того, що рівні мРНК не обов'язково змінюються за допомогою mIRNA-спрямованого поступального контролю.

МікроРНК в даний час досліджуються на предмет їх ролі як онкогенів або супресорів пухлини (розглянуто в Garzon et al, Ann. Преподобний мед. 60: 167-79, 2009). Приблизно половина відомих людських мікроНК розташована на крихких ділянках, точках зупинки та інших регіонах, пов'язаних з раковими захворюваннями (Calin et al, Proc. Нат. Акад. Науковий. (США) 101: 2999-3004, 2004). Наприклад, МіР-21 не тільки регулюється в ряді пухлин, його надмірна експресія блокує апоптоз - необхідний крок, щоб дозволити аномальним клітинам продовжувати жити і ділитися, а не відмирати. І навпаки, miR-15a значно пригнічений в деяких пухлинних клітині, і надмірна експресія може уповільнити або зупинити клітинний цикл, навіть викликаючи апоптоз.

Іншим механізмом поступального контролю, який використовує малі молекули РНК, є інтерференція РНК (РНК _i). Вперше це було виявлено як експериментально індукована репресія трансляції, коли в клітини були введені короткі дволанцюгові молекули РНК, довжиною кілька сотень нуклеотидів і містять ту ж послідовність, що і мішень мРНК. Ефект був драматичним: велика частина мРНК з цільовою послідовністю була швидко знищена. Сучасна механістична модель репресії _РНК полягає в тому, що спочатку дволанцюгові молекули розщеплюються ендонуклеазою під назвою Dicer, яка розщеплюється з надзвисаючими одножильними 3-дюймовими кінцями. Це дозволяє коротким фрагментам (SiRNA довжиною ~ 20 нт) утворювати комплекс з декількома білками (RISC, РНК-індукований комплекс глушіння). RISC розщеплює двожильні фрагменти на окремі нитки, одна з яких є точним доповненням до мРНК. Через комплементарність це стабільна взаємодія, і дволанцюгова область, здається, сигналізує про ендонуклеазу для знищення гібриду мРНК/сиРНК.

Кінцевим методом контролю рівнів експресії генів є контроль за фактом, тобто шляхом цілеспрямованого знищення білка генного продукту. Хоча деякі білки продовжують працювати, поки вони не розвалюються, інші призначені лише для короткочасного використання (наприклад, для сигналізації короткої фази в клітинному циклі) і їх потрібно видалити, щоб клітина функціонувала належним чином. Видалення в цьому сенсі було б евфемізмом для подрібненого та переробленого. Система убікітин-протеасоми - це механізм тегів і руйнування, при якому білки, що віджили свою корисність, поліубикуватинируются. Убіквітин - це невеликий (76 амінокислот, ~ 5,6 кДа), високо збережений (96% між людськими та дріжджовими послідовностями) еукаріотичний білок (рис.\(\PageIndex{9}\)), який може бути приєднаний до інших білків за допомогою дії трьох послідовних ферментативних етапів, кожен каталізується іншим ферментом.

Знімок екрана 2018-12-30 в 4.41.20 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{9}\). Убіквітин. Це 3D-подання було створено з файлу 1ubi (синтетичний людський убіквітин) у банку даних білка RCSB

Е1 активує убіквітин, поєднуючи його з АТФ, щоб зробити убіквітин-аденілат, а потім передає убіквітин собі через цистеїновий тіоефірний зв'язок. Через транс (тіо) реакцію етерифікації убіквітин потім передається цистеїну в ферменті Е2, також відомому як убіквітин-кон'югуючий фермент. Нарешті, Е3, або убіквітинлігаза, взаємодіє як з Е2-убіквітином, так і з білком, призначеним для руйнування, переносячи убіквітин до білка мішені. Після декількох раундів поліубиквітінований білок відправляють в протеасому для знищення.

Мутації в генах E3 можуть спричинити різні медичні розлади людини, такі як порушення нервового розвитку, синдром Ангельмана, синдром Хіппеля-Ліндау або загальний розлад росту, відомий як синдром 3-М. Механізми, що пов'язують несправність у шляхах убіквітинації та симптоми цих розладів, наразі не відомі.

Знімок екрана 2018-12-30 в 4.41.33 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{10}\). Полюбіквітинація цільового білка (синього кольору) вимагає трьох абісуцітуючих ферментів, E1, E2 та E3. Після позначення білок позиціонується в протеасомі шляхом зв'язування хвоста поліубіквітину із зовнішньою поверхнею протеасоми. Потім протеасома розщеплює білок на дрібні поліпептиди.

Протеасоми - це дуже великі білкові комплекси, розташовані у вигляді чотиришарового стовбура (субодиниця 20S), обмежений регуляторною субодиницею (19S) на кожному кінці. Два зовнішні кільця складаються з 7 α субодиниць, які функціонують як вхідні ворота до центральних кілець, кожне з яких складається з 7 β субодиниць, і які містять вздовж внутрішньої поверхні 6 протеолітичних ділянок. Регуляторні блоки 19S керують відкриттям і закриттям воріт в каталітичний ствол 20S. Всю протеасому іноді називають частинкою 26S.

Полюбіквітінований білок спочатку зв'язується з регуляторною одиницею 19S в АТФ-залежної реакції (19S містить активність АТФази). Блок 19S відкриває ворота блоку 20S, можливо, за участю гідролізу АТФ, і направляє білок в центральну протеолітичну камеру. Протеазна активність протеасом унікальна тим, що це треонінова протеаза, і вона розрізає більшість білків на регулярні 8-9 залишкових поліпептидів, хоча це може варіюватися.

Як ми побачимо в розділі клітинного циклу, протеасоми є вирішальним компонентом для точної регуляції білкових функцій.